耐高溫！華工制備出超高強(qiáng)度陶瓷材料發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》
核心提示：近期，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院褚衍輝研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功制備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱性的高熵多孔硼化
近期，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院褚衍輝研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功制備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱性的高熵多孔硼化物陶瓷材料。同時(shí)，該材料還展現(xiàn)出了2000℃高溫穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果近日刊發(fā)于國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》。
隨著飛行速度的不斷提升，新一代高超聲速飛行器對(duì)隔熱材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐溫性提出了更嚴(yán)苛的要求。兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)，然而，這兩種屬性在一定程度上是相互制約的。
陶瓷核心部件主要依賴于進(jìn)口
目前陶瓷外殼主要的市場(chǎng)份額仍然被日本京瓷等海外巨頭所占有，我國(guó)部分核心零部件的陶瓷外殼、陶瓷基座主要依賴于進(jìn)口。國(guó)內(nèi)各陶瓷外殼生產(chǎn)廠商加大投資力度，提升研發(fā)水平，但高端產(chǎn)品研發(fā)能力仍需提高。總之，在核心零部件的電子陶瓷市場(chǎng)，正在形成由國(guó)內(nèi)外企業(yè)共同競(jìng)爭(zhēng)的格局。
目前，行業(yè)內(nèi)的國(guó)外企業(yè)主要有日本京瓷、日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社(日本NGK/NTK)和賽瑯泰克集團(tuán)(GeramTec Group)。
日本京瓷成立于1959年，從事精密陶瓷零部件、半導(dǎo)體零部件、電子元器件等業(yè)務(wù)，目前已發(fā)展成為全球規(guī)模最大的先進(jìn)陶瓷供應(yīng)商，于1972年、1980年分別在東京、紐約證券交易所上市。根據(jù)日本京瓷2020財(cái)年年度報(bào)告，2020財(cái)年日本京瓷營(yíng)業(yè)收入為人民幣1048.08億元，歸母凈利潤(rùn)為人民幣70.60億元。零部件業(yè)務(wù)、設(shè)備及系統(tǒng)業(yè)務(wù)、其他業(yè)務(wù)是公司三大類(lèi)主營(yíng)業(yè)務(wù)，其中半導(dǎo)體零部件業(yè)務(wù)(陶瓷封裝、基板、有機(jī)化學(xué)材料、有機(jī)封裝、印刷電路板)與比為15.46%。
目前電子陶瓷關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)相關(guān)的城市集群主要集中在華南、長(zhǎng)三角和粵港澳大灣區(qū)，尤其是湖南成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。這些城市群已投入大量政策、資金、環(huán)境和人才資源用于電子陶瓷研發(fā)，成為潛在的電子陶瓷技術(shù)發(fā)展中心。根據(jù)熱力圖的分布，華南地區(qū)有極大的可能性成為電子陶瓷技術(shù)的先導(dǎo)區(qū)域。重點(diǎn)關(guān)注湖南省婁底市新化縣、江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣、廣東省深圳市龍華區(qū)等地的相關(guān)企業(yè)，以及這些地方對(duì)電子陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資環(huán)境和潛力市場(chǎng)。
高性能陶瓷是如何實(shí)現(xiàn)的？
華南理工大學(xué)褚衍輝團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即通過(guò)利用超快速高溫合成構(gòu)造亞微米級(jí)超細(xì)孔、構(gòu)建顆粒間的強(qiáng)界面以及引入9元金屬陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，成功制備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料在50%氣孔率下，實(shí)現(xiàn)了337 MPa的壓縮強(qiáng)度以及0.76 W m?1 K?1的熱導(dǎo)率。同時(shí)，該材料還展現(xiàn)出了2000℃高溫穩(wěn)定性，2000℃熱處理后收縮率僅為2.4%。2000℃原位高溫過(guò)程中出現(xiàn)塑性形變，伴隨著材料的逐漸致密化，最終力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。
多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該多孔材料具備優(yōu)異力學(xué)和熱學(xué)性能的關(guān)鍵。在微米尺度上，通過(guò)超高溫快速合成技術(shù)在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結(jié)，抑制晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而在材料內(nèi)構(gòu)筑均勻分布的亞微米級(jí)超細(xì)孔隙。在納米尺度上，通過(guò)進(jìn)一步固溶反應(yīng)，建立晶粒之間強(qiáng)界面結(jié)合。在原子尺度上，通過(guò)引入9元陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)波動(dòng)，提高硼化物的本征力學(xué)強(qiáng)度。
本研究以硼粉及高熵氧化物陶瓷粉為起始原料，利用高溫硼熱還原原理，結(jié)合超高溫快速合成設(shè)備（數(shù)十秒內(nèi)完成升降溫），實(shí)現(xiàn)了單相9元高熵多孔陶瓷材料的燒結(jié)制備。借助XRD和精修計(jì)算，驗(yàn)證了所合成的為單相硼化物陶瓷材料。通過(guò)高精度CT成像，證明了亞微米級(jí)超細(xì)孔隙在材料內(nèi)部的均勻分布。利用高分辨TEM，證實(shí)了在陶瓷顆粒間界面結(jié)合狀態(tài)良好，不存在缺陷和非晶相；同時(shí)計(jì)算了晶格內(nèi)部的應(yīng)力分布，證明了其中存在著嚴(yán)重的晶格畸變。
通過(guò)SEM-EDS和TEM-EDS，證明了在微米和納米尺度上，所有金屬元素均勻分布，未出現(xiàn)任何元素的偏析。
同時(shí)，所制備的高熵多孔陶瓷材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，例如50%氣孔率下壓縮強(qiáng)度為337 MPa，顯著高于已報(bào)到的多孔陶瓷材料。材料在1500℃高溫原位壓縮測(cè)試中力學(xué)強(qiáng)度保持率＞95%，達(dá)到332 MPa。特別地，材料在1800和2000℃的高溫下由脆性斷裂行為轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過(guò)程中伴隨著材料的致密化，最終在約49%應(yīng)變下強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。相較于目前已報(bào)道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度。
航天、能源領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景
“如果通過(guò)簡(jiǎn)單降低多孔陶瓷的相對(duì)密度，可顯著提高材料的隔熱性能，但這往往會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度大幅下降。同時(shí)，傳統(tǒng)多孔陶瓷材料耐溫性能普遍低于1500℃，高溫服役過(guò)程中常面臨著體積收縮、力學(xué)性能衰減等問(wèn)題。”褚衍輝介紹。
研究團(tuán)隊(duì)制備出的這種高熵多孔硼化物陶瓷材料，其優(yōu)異性能源于“三大法寶”，即微觀尺度上構(gòu)筑的超細(xì)孔、納米尺度上強(qiáng)晶間界面結(jié)合，以及原子尺度上嚴(yán)重晶格畸變。團(tuán)隊(duì)通過(guò)X射線衍射和精修計(jì)算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實(shí)了所制備的材料在結(jié)構(gòu)、元素均勻性上均有著優(yōu)異表現(xiàn)。
在力學(xué)性能測(cè)試中，該高熵多孔陶瓷材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫隔熱性能和熱穩(wěn)定性，在航空航天、能源化工領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。
這一成果的發(fā)表標(biāo)志著華東理工大學(xué)在陶瓷材料領(lǐng)域的研究取得了重要進(jìn)展，為我國(guó)在高性能陶瓷材料領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究高熵多孔陶瓷材料的制備和應(yīng)用，為推動(dòng)我國(guó)陶瓷材料科學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_539962.html
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隨著飛行速度的不斷提升，新一代高超聲速飛行器對(duì)隔熱材料的力學(xué)強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和耐溫性提出了更嚴(yán)苛的要求。兼具優(yōu)異力學(xué)強(qiáng)度及隔熱屬性的多孔陶瓷材料一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)，然而，這兩種屬性在一定程度上是相互制約的。
陶瓷核心部件主要依賴于進(jìn)口
目前陶瓷外殼主要的市場(chǎng)份額仍然被日本京瓷等海外巨頭所占有，我國(guó)部分核心零部件的陶瓷外殼、陶瓷基座主要依賴于進(jìn)口。國(guó)內(nèi)各陶瓷外殼生產(chǎn)廠商加大投資力度，提升研發(fā)水平，但高端產(chǎn)品研發(fā)能力仍需提高。總之，在核心零部件的電子陶瓷市場(chǎng)，正在形成由國(guó)內(nèi)外企業(yè)共同競(jìng)爭(zhēng)的格局。
目前，行業(yè)內(nèi)的國(guó)外企業(yè)主要有日本京瓷、日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社(日本NGK/NTK)和賽瑯泰克集團(tuán)(GeramTec Group)。
日本京瓷成立于1959年，從事精密陶瓷零部件、半導(dǎo)體零部件、電子元器件等業(yè)務(wù)，目前已發(fā)展成為全球規(guī)模最大的先進(jìn)陶瓷供應(yīng)商，于1972年、1980年分別在東京、紐約證券交易所上市。根據(jù)日本京瓷2020財(cái)年年度報(bào)告，2020財(cái)年日本京瓷營(yíng)業(yè)收入為人民幣1048.08億元，歸母凈利潤(rùn)為人民幣70.60億元。零部件業(yè)務(wù)、設(shè)備及系統(tǒng)業(yè)務(wù)、其他業(yè)務(wù)是公司三大類(lèi)主營(yíng)業(yè)務(wù)，其中半導(dǎo)體零部件業(yè)務(wù)(陶瓷封裝、基板、有機(jī)化學(xué)材料、有機(jī)封裝、印刷電路板)與比為15.46%。
目前電子陶瓷關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)相關(guān)的城市集群主要集中在華南、長(zhǎng)三角和粵港澳大灣區(qū)，尤其是湖南成為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。這些城市群已投入大量政策、資金、環(huán)境和人才資源用于電子陶瓷研發(fā)，成為潛在的電子陶瓷技術(shù)發(fā)展中心。根據(jù)熱力圖的分布，華南地區(qū)有極大的可能性成為電子陶瓷技術(shù)的先導(dǎo)區(qū)域。重點(diǎn)關(guān)注湖南省婁底市新化縣、江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣、廣東省深圳市龍華區(qū)等地的相關(guān)企業(yè)，以及這些地方對(duì)電子陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資環(huán)境和潛力市場(chǎng)。
高性能陶瓷是如何實(shí)現(xiàn)的？
華南理工大學(xué)褚衍輝團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即通過(guò)利用超快速高溫合成構(gòu)造亞微米級(jí)超細(xì)孔、構(gòu)建顆粒間的強(qiáng)界面以及引入9元金屬陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，成功制備了兼具超強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度和高隔熱的高熵多孔硼化物陶瓷材料。該材料在50%氣孔率下，實(shí)現(xiàn)了337 MPa的壓縮強(qiáng)度以及0.76 W m?1 K?1的熱導(dǎo)率。同時(shí)，該材料還展現(xiàn)出了2000℃高溫穩(wěn)定性，2000℃熱處理后收縮率僅為2.4%。2000℃原位高溫過(guò)程中出現(xiàn)塑性形變，伴隨著材料的逐漸致密化，最終力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。
多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該多孔材料具備優(yōu)異力學(xué)和熱學(xué)性能的關(guān)鍵。在微米尺度上，通過(guò)超高溫快速合成技術(shù)在數(shù)十秒內(nèi)完成燒結(jié)，抑制晶粒生長(zhǎng)，進(jìn)而在材料內(nèi)構(gòu)筑均勻分布的亞微米級(jí)超細(xì)孔隙。在納米尺度上，通過(guò)進(jìn)一步固溶反應(yīng)，建立晶粒之間強(qiáng)界面結(jié)合。在原子尺度上，通過(guò)引入9元陽(yáng)離子嚴(yán)重晶格畸變，提高晶格內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)波動(dòng)，提高硼化物的本征力學(xué)強(qiáng)度。
本研究以硼粉及高熵氧化物陶瓷粉為起始原料，利用高溫硼熱還原原理，結(jié)合超高溫快速合成設(shè)備（數(shù)十秒內(nèi)完成升降溫），實(shí)現(xiàn)了單相9元高熵多孔陶瓷材料的燒結(jié)制備。借助XRD和精修計(jì)算，驗(yàn)證了所合成的為單相硼化物陶瓷材料。通過(guò)高精度CT成像，證明了亞微米級(jí)超細(xì)孔隙在材料內(nèi)部的均勻分布。利用高分辨TEM，證實(shí)了在陶瓷顆粒間界面結(jié)合狀態(tài)良好，不存在缺陷和非晶相；同時(shí)計(jì)算了晶格內(nèi)部的應(yīng)力分布，證明了其中存在著嚴(yán)重的晶格畸變。
通過(guò)SEM-EDS和TEM-EDS，證明了在微米和納米尺度上，所有金屬元素均勻分布，未出現(xiàn)任何元素的偏析。
同時(shí)，所制備的高熵多孔陶瓷材料展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，例如50%氣孔率下壓縮強(qiáng)度為337 MPa，顯著高于已報(bào)到的多孔陶瓷材料。材料在1500℃高溫原位壓縮測(cè)試中力學(xué)強(qiáng)度保持率＞95%，達(dá)到332 MPa。特別地，材料在1800和2000℃的高溫下由脆性斷裂行為轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s塑性變形行為，壓縮過(guò)程中伴隨著材料的致密化，最終在約49%應(yīng)變下強(qiáng)度達(dá)到了690 MPa。相較于目前已報(bào)道的其他多孔陶瓷，該材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度。
航天、能源領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景
“如果通過(guò)簡(jiǎn)單降低多孔陶瓷的相對(duì)密度，可顯著提高材料的隔熱性能，但這往往會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)強(qiáng)度大幅下降。同時(shí)，傳統(tǒng)多孔陶瓷材料耐溫性能普遍低于1500℃，高溫服役過(guò)程中常面臨著體積收縮、力學(xué)性能衰減等問(wèn)題。”褚衍輝介紹。
研究團(tuán)隊(duì)制備出的這種高熵多孔硼化物陶瓷材料，其優(yōu)異性能源于“三大法寶”，即微觀尺度上構(gòu)筑的超細(xì)孔、納米尺度上強(qiáng)晶間界面結(jié)合，以及原子尺度上嚴(yán)重晶格畸變。團(tuán)隊(duì)通過(guò)X射線衍射和精修計(jì)算、高精度CT成像、高分辨透射電子顯微鏡、電鏡能譜、透射電鏡能譜等方式，證實(shí)了所制備的材料在結(jié)構(gòu)、元素均勻性上均有著優(yōu)異表現(xiàn)。
在力學(xué)性能測(cè)試中，該高熵多孔陶瓷材料展現(xiàn)出了出色的高溫壓縮強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫隔熱性能和熱穩(wěn)定性，在航空航天、能源化工領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。
這一成果的發(fā)表標(biāo)志著華東理工大學(xué)在陶瓷材料領(lǐng)域的研究取得了重要進(jìn)展，為我國(guó)在高性能陶瓷材料領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究高熵多孔陶瓷材料的制備和應(yīng)用，為推動(dòng)我國(guó)陶瓷材料科學(xué)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
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